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Wir verbessern die elektronische Sicherung durch einen Stromspiegel.


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Elektronische Sicherung mit Stromspiegel

Wir haben einfache elektronische Sicherung betrachtet. Hier werden wir auf den Nachteil dieser Schaltung eingehen und eine Lösung betrachten, die uns zu einer interessanten elektronischen Schaltung führt.

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Bild 1: Die einfache elektronische Sicherung

Der Strom durch die Sicherung wird mit dem Messwiderstand Rm in eine Spannung umgewandelt und diese mit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1 verglichen. Wenn die Spannung größer als 0,6V ist, löst die Sicherung aus.

Diese Messspannung von 0,6V ist verglichen mit der verwendeten Spannung von 5V relativ hoch. Wir werden versuchen diese Spannung zu verringern.

Verringerung der Messspannung

Wenn es uns gelänge, von der Basis-Emitter-Spannung einen Teil abzuziehen, kämen wir mit einer geringeren Messspannung aus. Am besten wäre es, wir würden die Basis-Emitter-Spannung vollständig eliminieren.

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Bild 2: Schaltkreis mit 2 Transistoren

Die Schaltung in Bild 2 ersetzt den Basis-Widerstand R1 von T1 in Bild 1 durch die Basis-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors.

Wir analysieren die Spannungen des Stromkreises:

Ube1 = Ube2 + Um

Wenn kein Strom fließt, ist Um = 0V. Dann müssen Ube1 und Ube2 gleich sein.

Wenn eine Spannung Um auftritt ( durch den Messstrom Im in Rm erzeugt ), wird Ube1 größer als Ube2.

Schön und gut, aber woher soll die Spannung an den Basen der Transistoren kommen?

Wir müssen einen Strom in die Basen schicken. Dieses übernimmt der Widerstand Rb in Bild 3.

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Bild 3: Schaltkreis mit 2 Transistoren

Der Strom über den Widerstand Rb teilt sich in zwei Teile, nämlich Ib1 und Ib2 auf. Die beiden Transistoren T1 und T2 sind gleich und wir können davon ausgehen, dass Ib2 und Ib2 gleich sind. Das wird insbesondere der Fall sein, wenn Um Null ist.

Wenn allerdings ein Strom durch Rm fließt, wird durch Um die Basis-Emitter-Spannung Ube1 von T1, größer als die von T2. Das bedeutet, dass der Basisstrom Ib1 größer als der Ib2 von T2 wird.

Der Basisstrom von T1 wird größer, wenn der Strom durch Rm, d.h. der Strom durch die Sicherung steigt.

Wenn der Basisstrom von T1 größer wird, wird auch dessen Kollektorstrom größer.

  • Der Kollektorstrom von T1 wird größer, wenn der Strom durch die Sicherung größer wird.

Bevor wir die Schaltung der elektronischen Sicherung betrachten, gehen wir noch einmal auf die Schaltung in Bild 3 ein. Diese Schaltung heißt Stromspiegel. Allerdings wird ein Stromspiegel meistens anders dargestellt.

ElektronischeSicherung-Stromspiegel-3.png
Bild 4: Stromspiegel

In dieser Schaltung sind die Basen der beiden Transistoren gemeinsam an den Kollektor des rechten Transistors T2 angeschlossen. Wenn Um=0V ist sind die Basisströme der beiden Transistoren gleich und damit auch die Kollektorströme:

Ic1 = Ic2

Der Kollektorstrom Ic2 des rechten Transistors O2 wird über den Widerstand R2 vorgegeben. Der Strom Ic1 im Kollektor linken Transistors Q1 ist damit auch über R2 eingestellt, unabhängig von R1. R1 darf nicht größer sein als R2.

Sicherung mit Stromspiegel

Wir wenden unsere neuen Kenntnisse auf die vollständig Schaltung der elektronischen Sicherung an.

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Bild 5: Elektronische Sicherung mit Stromspiegel

Tatsächlich, die beiden Schaltungen in Bild 1 und Bild 5 sind sich sehr ähnlich. Auf den ersten Blick fällt auf, dass

  • die LED ist entfallen und
  • - das ist wesentlich - der Messwiderstand Rm nicht mehr 33Ω beträgt, sondern nur noch 1Ω.

An dem Messwiderstand fallen bei 25mA nur noch 0,025V = 25mV ab. Das ist sehr klein im Vergleich zu den 0,6V unserer Schaltung in Bild 1.

Details zur Funktion

Bei der einfachen elektronischen Sicherung wurde die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors zu Messung des Stroms verwendet.

Über R2 wird der Strom Ic2 im Stromspiegel eingestellt. In Q1 fließt der gleiche Strom. R1 ist kleiner als R2, d.h. an R1 fällt eine kleinere Spannung als an R2 ab. Die Kollektor-Emitter-Spannung von Q1 ist also größer als die von Q2.

Die Kollektor-Emitter-Spannung von Q1 ist die Basis-Emitter-Spannung von Q3.

Wenn ein Strom durch die Sicherung, d.h. den Messwiderstand Rm fließt, wird der Kollektorstrom vom Q1 größer und die Spannung an R1 steigt. Damit sinkt die Kollektor-Emitter-Spannung von Q1, d.h. die die Basis-Emitter-Spannung von Q3.

Wenn der Strom so weit angestiegen ist, dass Q3 nicht mehr voll eingeschaltet ist, ist die Schaltschwelle der elektronischen Sicherung erreicht.

Der Zusammenhang zwischen dem Strom Isi und der die Basis-Emitter-Spannung von Q3 ist nicht mehr so einfach wie bei der Basis des Transistors Q1 in Bild 1.

Im Praktikum Kleine Spannungen mit dem Stromspiegel messen wird näher darauf eingegangen, wie sich ein Stromspiegel beim Messen kleiner Spannungen verhält.

Bei einer Eingangsspannung von 20mV ist der Strom in Q1 doppelt so hoch wie der Strom in Q2. Bei höheren Eingangsspannungen steigt der Strom in Q1 rapide.

Ein steigender Strom in Q1 verringert den Basisstrom von Q3, Ein rapide ansteigender Strom in Q1 bedeutet, dass der Basisstrom Q3 oberhalb von 20mV stark fällt.

Die Schaltschwelle der elektronischen Sicherung liegt damit im Bereich von 25mV.

Anzeige der Strombegrenzung

Im Praktikum Elektronische Sicherung mit MOSFET wurde gezeigt, wie mit geringem Aufwand eine Anzeige für das Auslösen der Sicherung realisiert werden kann.

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Bild 6: Elektronische Sicherung mit Stromspiegel und Anzeige

Der Transistor Q4 misst einfach ob an der Sicherung mehr als 0,6V abfallen und schaltet dann die LED1 an.

LED1 leuchtet auf, wenn die Sicherung ausgelöst hat.

Wahl der Transistoren

Die Transistoren des Stromspiegels sollten möglichst identischen Eigenschaften haben.

Die beiden Transistoren im Stromspiegel

Wir müssen darauf achten, möglichst gleiche Transistoren zu verwenden:

  • Am besten werden spezielle Doppeltransistoren verwendet.
  • Aber es gibt auch Möglichkeiten, passende Transistoren zu finden.
  • vom gleichen Typ: BC327
  • mit der gleichen Stromverstärkungsklasse (-25, -45, -100)
  • aus der gleichen Charge (gemeinsam gekauft, am besten auf einem Gurt)

Gepaarte Transistoren

Wir können zwei ähnliche Transistoren ausmessen.

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Bild 7: Bestimmung gepaarter Transistoren

Mit der Schaltung in Bild 7 können gepaarte Transistoren leicht bestimmt werden. Die beiden Transistoren mit der geringsten Spannung zwischen den Basen sind am besten gepaart. Die Polarität der Spannung ist nicht von Belang.

Temperaturabhängigkeit

Eine Schaltung mit Stromspiegel ist temperaturabhängig. Beide Transistoren müssen die gleiche Temperatur haben.

Wir schalten einen Lastwiderstand von 220Ω ein. Die LED wird kaum glimmen. Wenn wir jetzt den Transistor T2 berühren, wird er sich durch unsere Körperwärme leicht erwärmen. Und die LED wird heller.

Diese Temperaturabhängigkeit ist ein Nachteil der neuen Sicherung.

Wir können diesen Effekt verringern,

  • indem wir die Gehäuse zweier gepaarter Transistoren aneinander kleben.

Spannungsabfall am Ausgangstransistor

Der Ausgangstransistor Q3 schaltet leider nicht perfekt ein. An ihm fällt etwa 100mV ab. Diese Spannung lässt sich mit einem höheren Basisstrom verringern. Die Widerstände R1 und R2 müssen kleiner gewählt werden.

Bessere Ergebnisse bringen MOSFETS. Wir sind im Praktikum Elektronische Sicherung mit MOSFET darauf eingegangen.

Eigene Versuche

Die Schaltung kann auf einem kleinen Steckboard aufgebaut werden.

Attention :-)

Streiche der Steckboards

Leider können Steckboards uns böse Streiche spielen.

Die Kontakte der Steckboards bewirken kleine Übergangswiderstände. Diese machen sich dem kleinen Widerstand Rm=1Ω durchaus bemerkbar.

Der Widerstand Rm wird am besten mit langen Anschlüssen unmittelbar mit den Kontaktgruppen der Emitter der beiden Transistoren Q1 und Q2 verbunden.

Diese Übergangswiderstände machen sich bei höheren Strömen, noch kleineren Rm, erst recht bemerkbar.

  • Wir sollten eine elektronische Sicherung mit Stromspiegel nur für dieses Praktikum auf dem Steckboard aufbauen.

Bevor wir die Schaltung in Betrieb nehmen, überzeugen wir uns, ob sie korrekt aufgebaut wurde. Wer eine elektronische Sicherung nach Bild 1 hat, schaltet sie natürlich davor.

Die alte Sicherung nach Bild 1 wird am besten auf 50mA eingestellt. Sie darf natürlich nicht auslösen, wenn die neue ohne Belastung am Ausgang angeschlossen wird.

Wird der Ausgang der neuen Sicherung belastet oder gar kurzgeschlossen, darf nur die neue Sicherung reagieren. Sie sollte auf 25mA begrenzen, d.h. die alte Sicherung darf nicht auslösen.

Natürlich ist die Schaltschwelle der Sicherung nicht sehr genau. Sie wird im Bereich von 23mA bis 27mA liegen.

Fazit

Diese nur unwesentlich komplexere elektronische Sicherung in Bild 6 hat gegenüber der einfachen Schaltung in Bild 1 einen deutlich geringeren Spannungsabfall von unter 0,1V.

Das Projekt